Sistemas y procedimientos involucrados en torres de turbinas eólicas para aplicaciones energéticas.

Un sistema (300) para determinar las cargas de par de la base de una torre de turbina eólica,

que comprende un controlador (302) configurado para:

determinar una carga de par de una base (102) de una torre (104) de una turbina eólica (100) de acuerdo con un cálculo de una altura efectiva de la turbina eólica (100) multiplicado por una fuerza del viento sobre un rotor (108) de la turbina eólica (100), en el que la altura efectiva es una altura desde la base (102) en la que la fuerza del viento es aplicada a la turbina eólica (100); y

generar una señal de control que represente la carga de par; caracterizado porque el cálculo comprende además la adición de un coeficiente masa / altura multiplicado por una aceleración horizontal de la góndola (106) de la turbina eólica (100) en el que el coeficiente masa / altura comprende un producto de la altura efectiva de la turbina eólica multiplicado por una suma de una masa de la góndola (106), más una masa del rotor (108), más de un 5% a un 25% de una masa de la torre (104).

Sistemas y procedimientos involucrados en torres de turbinas eólicas para aplicaciones energéticas

Formas de realización de la Invención se refieren, en general, a turbinas eólicas y, más concretamente, a sistemas y procedimientos involucrados en torres de turbinas eólicas para aplicaciones energéticas.

Se describen turbinas eólicas convencionales, por ejemplo, en los documentos DE 19860215 y US 2004/0112131.

A este respecto, las turbinas eólicas Incluyen una estructura de soporte o torre que se fija al suelo o a otras superficies mediante una base y soporte diversos componentes de gran tamaño y peso, por ejemplo un rotor de la turbina, un generador y un alojamiento ("góndola"). Durante su operación, la combinación de la fuerza del viento y el peso y el movimiento de balanceo (u oscilación) de la torre y de los componentes soportados provoca una fuerza de flexión y carga de par sobre la base de la torre que es controlada para evitar la sobrecarga en la base para una operación segura y adecuada de la turbina eólica. Por ejemplo, si la carga de par en la base de la torre se detecta que está alcanzando un limite máximo, la operación de la turbina eólica puede ser modificada o detenida mediante el ajuste de una o más características operativas. Sin embargo, la carga de par en la base de la torre puede ser compleja de determinar, por ejemplo, mediante el uso de numerosos extensómetros y otros dispositivos para controlar la turbina eólica y estimar la carga de par. Por tanto, es deseable un enfoque menos complejo para determinar la carga de par de la base de la torre.

Sistemas y procedimientos Involucrados en torres de turbina eólica para aplicaciones energéticas incluyen, en una forma de realización ejemplar, un sistema para determinar las cargas de par de la base de la torre de la turbina eólica según se define mediante las reivindicaciones adjuntas.

Diversas características, aspectos y ventajas se comprenderán mejor con la lectura de la posterior descripción detallada con referencia a los dibujos que se acompañan en los que los mismos caracteres representan las mismas partes a lo largo de los dibujos, en los que:

La FIG. 1 es un diagrama esquemático de una turbina eólica ejemplar que ilustra parámetros ejemplares para determinar las cargas de par de la base de la torre de la turbina eólica de acuerdo con formas de realización ejemplares de la presente Invención.

La FIG. 2 es un diagrama esquemático que ilustra una representación modélica del diagrama esquemático de turbina eólica de la FIG. 1 de acuerdo con formas de realización ejemplares de la Invención.

La FIG. 3 es un diagrama de bloques que ¡lustra un sistema ejemplar para determinar las cargas de par de la base de la torre de la turbina eólica, de acuerdo con formas de realización ejemplares de la presente

invención.

La FIG. 4 es un diagrama de flujo que ¡lustra un procedimiento ejemplar para determinar las cargas de par de la base de la torre de la turbina eólica de acuerdo con formas de realización ejemplares de la presente invención.

En la siguiente descripción detallada, se establecen numerosos detalles específicos con el fin de proporcionar una comprensión completa de diversas formas de realización. Sin embargo, las formas de realización pueden llevarse a la práctica sin estos detalles específicos. En otros casos, procedimientos, métodos y componentes sobradamente conocidos no se han descrito con detalle.

Por otro lado, diversas operaciones pueden describirse como múltiples etapas independientes llevadas a cabo de una manera que sea útil para la comprensión de las formas de realización de la presente invención. Sin embargo, el orden de la descripción no debe interpretarse como que implique que estas operaciones necesitan llevarse a cabo en el orden que se presentan, o que incluso dependan del orden presentado. Así mismo, el uso repetido de la frase "en una forma de realización" no se refiere necesariamente a la misma forma de realización, aunque puede ser posible. Por último, los términos "que comprende", "que incluye", "que incorpora", y similares, según se utilizan en la presente solicitud, pretenden ser sinónimos a menos que se indique lo contrario.

Las cargas de par sobre las bases de la torre de la turbina eólica son vigiladas y las operaciones de la turbina eólica son modificadas y / o detenidas para reducir estas cargas de par para evitar condiciones de sobrecarga y asegurar la operación segura y adecuada de la turbina eólica. Las características vigiladas de las operaciones de la turbina eólica como, por ejemplo la velocidad del viento, la aceleración horizontal, la velocidad del rotor de la turbina y el paso de las palas pueden ser utilizadas para determinar dichas cargas de par de la base de la turbina eólica.

La FIG. 1 es un diagrama esquemático de una turbina eólica 100 ejemplar que ilustra parámetros ejemplares para determinar las cargas de par de la base de la torre de la turbina eólica de acuerdo con formas ejemplares de la presente invención. La turbina eólica 100 ejemplar incluye una base 102 que está fijada al suelo o a otra superficie 103. Una torre 104 está conectada a y es soportada por la base 102. Un alojamiento o góndola 106 está conectada

a y es soportada por la torre 104. La góndola 106 contiene y / o fija uno o más componentes de la turbina eólica 100, como, por ejemplo el rotor de la turbina ("rotor") 108 y un generador (no representado).

Parámetros ejemplares para determinar las cargas de par de la base de la torre de la turbina eólica se muestran en la FIG. 1. Se ilustra una carga de par My (TB) de la base 102 de la torre 104 de la turbina eólica 100 (esto es, una "carga de par de la base de la torre de la turbina eólica"). Esta carga de par My (TB) puede, por ejemplo, ser el resultado de una combinación de la fuerza del viento contra la turbina eólica 100 y el peso y el movimiento (por ejemplo, el movimiento oscilatorio) de la torre 104, de la góndola 106, del rotor 108 y de otros componentes (no representados) y, de esta manera, puede ser, por ejemplo, una carga de par longitudinal. Una fuerza del viento (o empuje del viento) Fz RO sobre el rotor 108 de la turbina eólica 100 se ilustra también, la cual, por ejemplo, puede ser medida en base a la fuerza compresora aplicada sobre el eje del rotor 108. La fuerza del viento Fz RO puede, como alternativa, ser, por ejemplo, calculada y / o estimada en base a la velocidad del viento con respecto a la góndola 106, a una velocidad rotacional del rotor 108 y a un ángulo de paso de una o más palas 109 del rotor 108, por ejemplo, de acuerdo con la ecuación, FzRO = Cd 0,5 pv2 A, en la que Cd es un coeficiente de la fuerza del viento del rotor basado en la velocidad del rotor y del ángulo de paso de las palas, p es la densidad del aire, v es la velocidad del viento y A es el área del rotor. Así mismo, una posición horizontal X de la góndola 106 (por ejemplo una posición de delante-atrás con respecto a la fijación de la góndola 106 con respecto a la torre 104) y una "altura del buje" H de la turbina eólica 100 con respecto al rotor 108 también se ilustra (por ejemplo en base a un buje conectado al centro del rotor 108).

Los parámetros ejemplares precedentes pueden ser utilizados para describir la carga de par My (TB) de la base 102 de la torre de la turbina eólica 100, de acuerdo con formas de realización ejemplares de la invención de acuerdo con la siguiente ecuación EQ1:

My (TB) = c1 FzRO + c2'a+ c3 (EQ1)

En la ecuación EQ1, c1 es una altura efectiva de la turbina eólica 100, por ejemplo aproximadamente de un 85% a un 25% de la altura del buje H del rotor 108 (el cual, por ejemplo, se puede extender desde la base 102 hasta el centro radial del rotor 108), dependiendo, por ejemplo, de la altura por encima de la base 102 de la torre en la cual la fuerza del viento FzRO se aplica a y / o actúa eficazmente sobre la turbina eólica 100; c2 ("coeficiente de masa / altura") es el producto de una altura efectiva modificada de la turbina eólica 100 (por ejemplo, aproximadamente de un 80% a un 120% de la altura del buje H, dependiendo, por ejemplo, de la cantidad de oscilación a lo largo de la altura de la torre 104 que sea similar a la oscilación de la parte superior de la torre) multiplicada por la suma de la masa de la porción superior de la turbina eólica 100 ("parte superior de la torre", la cual, por ejemplo, incluye la góndola 106 y el rotor 108) y la masa de una porción de la torre 104 (por ejemplo, aproximadamente de un 1% a un 30% de la masa de la torre, dependiendo de las características estructurales de la torre 104 como por ejemplo la forma); a es una aceleración occidental de la parte superior de la torre... [Seguir leyendo]

1.- Un sistema (300) para determinar las cargas de par de la base de una torre de turbina eólica, que comprende un controlador (302) configurado para:

determinar una carga de par de una base (102) de una torre (104) de una turbina eólica (100) de acuerdo con un cálculo de una altura efectiva de la turbina eólica (100) multiplicado por una fuerza del viento sobre un rotor (108) de la turbina eólica (100), en el que la altura efectiva es una altura desde la base (102) en la que la fuerza del viento es aplicada a la turbina eólica (100); y

generar una señal de control que represente la carga de par; caracterizado porque

el cálculo comprende además la adición de un coeficiente masa / altura multiplicado por una aceleración horizontal de la góndola (106) de la turbina eólica (100) en el que el coeficiente masa / altura comprende un producto de la altura efectiva de la turbina eólica multiplicado por una suma de una masa de la góndola (106), más una masa del rotor (108), más de un 5% a un 25% de una masa de la torre (104).

2.- El sistema (300) de la reivindicación 1, en el que la aceleración horizontal de la góndola (106) es Introducida en el controlador (302) a partir de un acelerómetro (304) de la turbina eólica (100).

3.- El sistema (300) de cualquier reivindicación precedente, en el que el cálculo comprende además la adición de un desplazamiento de un par estático de la base (102) que es equivalente a una carga de par de la base (102) cuando no existe fuerza del viento sobre el rotor (108) y no existe movimiento de la turbina eólica (100).

4.- El sistema (300) de la reivindicación 3, en el que el desplazamiento de un par estático está basado en una posición horizontal de un centro de gravedad de la góndola (106) y del rotor (108) con respecto a la torre (104).

5.- El sistema (300) de cualquier reivindicación precedente, en el que la altura efectiva de la turbina eólica (100) es de un 90% a un 120% de una altura del buje del rotor (108).

6.- El sistema (300) de cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador (302) está configurado para:

medir la fuerza del viento sobre el rotor (108) en base a una fuerza compresora sobre un eje del rotor (108); o calcular la fuerza del viento sobre el rotor (108) en base a la velocidad del viento con respecto a la góndola (106), a una velocidad del rotor (108) y a un ángulo de paso de una pala (109) del rotor (108).

7.- El sistema (300) de la reivindicación 6, en el que:

la velocidad del viento es introducida en el controlador (302) a partir de un sensor de la velocidad del viento o un estimador (306) de la turbina eólica (100) que comprende un anemómetro, un sistema de detección y medición de luz (LIDAR) o un sistema de detección y medición de ondas sonoras (SODAR);

la velocidad rotacional del rotor es Introducida en el controlador (302) a partir de un sensor o un estimador (308) de la velocidad del rotor de la turbina eólica (100); y

el ángulo de paso de la pala (109) del rotor (108) es introducido en el controlador (302) a partir de un sensor (310) del ángulo de paso de la turbina eólica (100).

8.- El sistema (300) de cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador (302) está también configurado para determinar, en base a la señal de control, si la carga de par de la base (102) ha alcanzado un valor límite máximo o un valor de umbral, y para reducir la carga de par de la base (102) mediante la modificación o detección de una operación de la turbina eólica (100) en respuesta a la determinación de que la carga de par ha alcanzado el valor límite máximo o el valor de umbral.

9.- El sistema (300) de cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador (302) está configurado para modificar o detener una operación de la turbina eólica (100):

provocando un ajuste en una posición rotacional del rotor (108) que reduzca la carga de par de la base (102);

provocando un ajuste en una velocidad de rotación del rotor (108) que reduzca la carga de par de la base (102); o

provocando un ajuste en un ángulo de paso de una pala (109) del rotor (108) que reduzca la carga de par de la base (102).